حتى الآن ، أكد علماء الفلك وجود 4301 كوكب خارج المجموعة الشمسية في 3،192 نظامًا نجميًا ، مع انتظار 5650 مرشحًا آخر للتأكيد. في السنوات القادمة ، سيسمح الجيل التالي من التلسكوبات لعلماء الفلك برصد العديد من هذه الكواكب الخارجية ووضع قيود أكثر صرامة على قابليتها للحياة المحتملة. بمرور الوقت ، قد يؤدي ذلك إلى اكتشاف الحياة خارج نظامنا الشمسي!
المشكلة الوحيدة هي أن العثور على دليل على الحياة يتطلب أن نعرف ما الذي نبحث عنه. وفقا ل دراسة جديدة بواسطة فريق متعدد التخصصات من العلماء من جامعة كاليفورنيا سانتا كروز (UCSC) ، قد تلعب العناصر المشعة دورًا في قابلية الكواكب للسكن. يجادلون بأن الدراسات المستقبلية للكواكب الخارجية الصخرية يجب أن تبحث عن نظائر محددة تشير إلى وجود عناصر طويلة العمر مثل الثوريوم واليورانيوم.
على الأرض ، يؤدي التسخين الداخلي الناجم عن التحلل البطيء للثوريوم المشع الثقيل واليورانيوم إلى تحريك الصفائح التكتونية ، والتي قد تكون ضرورية للحفاظ على المجال المغناطيسي للأرض. هذا المجال هو ما يحمي الأرض من الإشعاع والأشعة الكونية ، ويمنع تجريد غلافنا الجوي بعيدًا. هذا هو السبب في اعتقاد صائدي الكواكب الخارجية وعلماء الأحياء الفلكية أن الحقول المغناطيسية يمكن أن تكون حاسمة في قابلية السكن.
يولد المجال المغناطيسي والتيارات الكهربائية في الأرض وحولها قوى معقدة لها تأثير لا يُحصى على الحياة اليومية. الائتمان: ESA / ATG medialab
في الواقع ، كان من عمل أستاذة علم الفلك والفيزياء الفلكية ناتالي باتالها مع مبادرة علم الأحياء الفلكي في UCSC الذي أثار التعاون متعدد التخصصات الذي أدى إلى هذه الدراسة. كما أوضحت في أ إصدار مركز أخبار جامعة كاليفورنيا ، دينامو الكواكب مرتبط بصلاحية السكن بعدة طرق:
'لطالما تم التكهن بأن التدفئة الداخلية تدفع حركة الصفائح التكتونية ، مما يخلق دورة الكربون والنشاط الجيولوجي مثل النشاط البركاني ، الذي ينتج الغلاف الجوي. والقدرة على الاحتفاظ بالغلاف الجوي مرتبطة بالمجال المغناطيسي ، والذي يحركه أيضًا التسخين الداخلي. '
يشير تدوير الكربون إلى العملية التي يتم فيها استخدام ثاني أكسيد الكربون (CO2) يضاف إلى الغلاف الجوي من خلال النشاط البركاني ويتم عزله بالتفاعل مع المعادن المختلفة (مما يؤدي إلى الكربونات). هذه العملية ضرورية للحفاظ على درجات حرارة ثابتة بمرور الوقت ، مما يضمن إمكانية حدوث عمليات تطورية معقدة وطويلة الأجل.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للجسيمات المشحونة سريعة الحركة (المعروفة أيضًا باسم الرياح الشمسية) أن تؤدي بشكل مطرد إلى تآكل الغلاف الجوي للكوكب في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي. هذا ما حدث على كوكب المريخ ، حيث تسبب اختفاء مجاله المغناطيسي (منذ حوالي 4.2 مليار سنة) في فقدان الكثير من غلافه الجوي والمياه السطحية في الفضاء - مما أدى إلى تحوله إلى بيئة باردة وجافة ومشعة. اليوم.
رسم توضيحي يوضح ثلاث نسخ لكوكب صخري بكميات مختلفة من التسخين الداخلي من العناصر المشعة. الائتمان: ميليسا فايس / جامعة كاليفورنيا
على الأرض ، المجال المغناطيسي هو نتيجة الحمل الحراري في قلبه الخارجي السائل ، مما يخلق تأثيرًا ديناموًا حيث يدور في الاتجاه المعاكس مثل الأرض. من خلال توفير التدفئة الداخلية من خلال الاضمحلال البطيء ، فإن العناصر المشعة للأرض ضرورية للحفاظ على هذا التأثير. كما أوضح فرانسيس نيمو ، أستاذ علوم الأرض والكواكب في جامعة كاليفورنيا ، والمؤلف الأول في الدراسة ، في إصدار مركز أخبار جامعة كاليفورنيا :
'ما أدركناه هو أن الكواكب المختلفة تجمع كميات مختلفة من هذه العناصر المشعة التي تعمل في النهاية على تنشيط النشاط الجيولوجي والمجال المغناطيسي. لذلك أخذنا نموذجًا للأرض وقمنا بطلب كمية الحرارة المشعة الداخلية لأعلى ولأسفل لنرى ما سيحدث.'
ما وجدوه هو أن هناك توازنًا مهمًا عندما يتعلق الأمر بالعناصر المشعة والتدفئة المشعة. الكثير ، أكثر مما تواجهه الأرض ، سيكون له عدد من الآثار السلبية على قابلية السكن المحتملة. على سبيل المثال ، نظرًا لأن الثوريوم واليورانيوم على الأرض يوجدان في الغالب في الوشاح ، فإن فائضهما قد يتسبب في عمل الوشاح كعازل.
هذا من شأنه أن يمنع اللب الخارجي المنصهر من تسليط حرارة كافية للحفاظ على حركات الحمل الحراري. والنتيجة الأخرى هي أن الإفراط في التسخين المشع سيؤدي إلى نشاط بركاني أكبر بكثير ، مما قد يؤدي إلى أحداث على مستوى الانقراض. من ناحية أخرى ، فإن الحرارة المشعة القليلة جدًا لن تؤدي إلى أي نشاط بركاني ، مما يؤدي إلى كوكب 'ميت' جيولوجيًا (ويعرف أيضًا باسم الغطاء الراكد).
رسم تخطيطي لبعض النجوم القريبة المعروفة. تشير التقديرات إلى أن حوالي 14600 نجم تقع على بعد 100 سنة ضوئية من الشمس. الائتمان: أندرو كولفين / ويكيبيديا
كما فرانسيس نيمو ، أستاذ علوم الأرض والكواكب في جامعة كاليفورنيا ، والمؤلف الأول للدراسة ، شرح :
'فقط من خلال تغيير هذا المتغير ، يمكنك مسح هذه السيناريوهات المختلفة ، من الموت الجيولوجي إلى الشبيه بالأرض إلى البركاني للغاية بدون دينامو. الآن وقد رأينا الآثار المهمة لتغيير مقدار التسخين الإشعاعي ، يجب التحقق من النموذج المبسط الذي استخدمناه من خلال حسابات أكثر تفصيلاً '.
يتم إنشاء العناصر الثقيلة مثل الثوريوم واليورانيوم من اندماج النجوم النيوترونية ، وهي أحداث نادرة للغاية. وبالتالي ، فإن توفر هذه العناصر في قرص محيطي ، تتشكل منه أنظمة الكواكب ، سيعتمد على قرب هذه الأحداث النادرة. هذا من شأنه أن يؤدي إلى درجة كبيرة من التباين بين أنظمة الكواكب.
لتحديد مدى التباين ، استشار نيمو وزملاؤه قياسات اليوروبيوم للنجوم القريبة التي أجراها علماء الفلك. يتم اكتشاف اليوروبيوم بسهولة في الأطياف النجمية ويتم إنشاؤه بواسطة نفس العمليات التي تنتج الثوريوم واليورانيوم. لذلك يمكن استخدام اليوروبيوم لتحديد مدى شيوع هذين العنصرين الآخرين في النجوم والكواكب القريبة.
من خلال إدخال هذه القياسات في نماذجه للتدفئة الإشعاعية ، تمكن نيمو وفريق البحث من وضع مجموعة من التقديرات للعناصر المشعة في الأنظمة النجمية القريبة. في حين أن الأرض والنظام الشمسي يقعان في مركز هذا النطاق ، كان لدى العديد من النجوم التي شملها المسح نصف كمية اليوروبيوم مثل الشمس بينما كان لدى البعض الآخر ما يصل إلى ضعف ذلك.
سيوفر تلسكوب جيمس ويب التابع لناسا ، الموضح في تصور هذا الفنان ، مزيدًا من المعلومات حول الكواكب الخارجية المكتشفة سابقًا. بعد عام 2020 ، من المتوقع أن تبني العديد من التلسكوبات الفضائية من الجيل التالي على ما تكتشفه. الائتمان: ناسا
المعارك شرح ، يمكن أن يكون هذا قيدًا مهمًا آخر لتحديد ما إذا كان الكوكب 'صالحًا للسكنى:
'إنها قصة معقدة ، لأن كلا الطرفين له آثار على قابلية السكن. أنت بحاجة إلى تسخين إشعاعي كافٍ للحفاظ على حركة الصفائح التكتونية ، ولكن ليس كثيرًا بحيث تغلق الدينامو المغناطيسي. في النهاية ، نحن نبحث عن أكثر أماكن الحياة احتمالية. يبدو أن وفرة اليورانيوم والثوريوم من العوامل الرئيسية ، وربما حتى بعد آخر لتحديد كوكب Goldilocks. '
تفتح أهمية وتنوع التسخين المشع العديد من السبل الجديدة لدراسات الكواكب الخارجية وعلم الأحياء الفلكي. بالنسبة للمبتدئين ، يمكن لعلماء الفلك استخدام التحليل الطيفي لقياس وفرة اليوروبيوم في النجوم وتقديم استنتاجات حول مستوى العناصر المشعة في أي كواكب تدور حولها. أدوات الجيل القادم مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) ، المقرر إطلاقه العام المقبل ، مناسبة تمامًا لهذه المهمة.
الدراسة بعنوان ' التدفئة الإشعاعية وتأثيرها على ديناميات Rocky Planet وصلاحيتها للسكن ، 'في عدد 10 نوفمبر من رسائل مجلة الفيزياء الفلكية .
قراءة متعمقة: UCSC و رسائل مجلة الفيزياء الفلكية